墊圈、包括該墊圈的裝置以及方法與流程

2023-10-11 07:22:39 2

本發明涉及墊圈、包括所述墊圈的裝置和使用它們的方法。更具體地但不排他地，本發明涉及用於電極結構（諸如用於氯鹼過程和燃料電池中的模塊化雙極和壓濾機電解槽）中的墊圈。本發明的墊圈可用於其他應用，例如熱交換器、特別是板框式熱交換器。

背景技術：

us6761808描述了電極組件。雖然這些組件是有效的，但在使用多年後墊圈容易變得效率低並且必須被更換。為了更換墊圈，必須關停裝置，結果導致生產損耗。此外，更換墊圈會導致比必要更早地整修其他部件，諸如隔膜或者電極塗層。本發明試圖提供具有提高的使用壽命的墊圈，從而允許裝置在整修之前運行更長時間。本發明還試圖提供用於整修現有裝置的手段，以允許其比之前預期的運行更長時間。

技術實現要素：

根據本發明，提供一種墊圈，其包括彈性材料的閉合環，該環具有內周邊和外周邊，該墊圈在第一位置處具有第一厚度，該第一位置距離外周邊在墊圈寬度的0%和30%之間，該墊圈在第二位置處具有第二厚度，該第二位置在距第一位置至少墊圈寬度的50%的點處測量，並且該墊圈在第三位置處具有第三厚度，該第三位置在第一和第二位置中間並且距每個位置至少墊圈寬度的10%，第一厚度大於第三厚度，第三厚度大於第二厚度，

並且其中：

a所述墊圈的厚度經由一個或多個錐形截面從第一厚度減小到第三厚度且之後減小到第二厚度，所述錐形截面沿朝向內周邊的方向線性漸縮到減小厚度；或者

b所述墊圈的厚度經由沿朝向內周邊的方向突變成減小厚度的一個或多個臺階從第一厚度減小到第三厚度，並且之後經由沿朝向內周邊的方向突變成減小厚度的一個或多個臺階從第三厚度減小到第二厚度；或者

c所述墊圈的厚度經由如上所定義的一個或多個臺階和一個或多個錐形截面的組合從第一厚度減小到第三厚度且之後減小到第二厚度。

本發明涉及墊圈。墊圈包括彈性材料的閉合環，並且具有內周邊和外周邊。閉合環能夠是適用於預期用途的任意形狀。對於在電解槽中使用，大體矩形構造是典型的。墊圈由彈性材料製成，諸如橡膠（例如epdm），但不排除使用其他彈性材料。當使用橡膠時，通常彈性材料將具有大約35至95的硬度（irhdiso48），例如35、45、55、65、75、85或者95。典型的硬度範圍是60至90，諸如65至85，如根據irhdiso48：（英國版本2010）針對irhd值35-85的方法n和針對irhd值85-95的方法h所測量的。兩種方法的樣品大小是8-10毫米厚且其他尺寸大於或等於25毫米。

但是在電極組件中，橡膠可被溶液或逸出氣體腐蝕和劣化。因此，內周邊可具有耐腐蝕材料襯裡。通常，耐腐蝕材料是含氟聚合物，諸如ptfe或者fep（氟化乙丙烯）。許多含氟聚合物通過擠出被加工。但為了使其可擠出，將其他材料與聚合物混合以輔助加工。含混合材料的被擠出的含氟聚合物不完全耐電池內容物並且將隨時間劣化。當使用切片（skived）含氟聚合物時，獲得更好的結果。切片是從塊體切割薄層的過程。通過切片，能夠使用還沒有被擠出且因此不需要存在加工輔助的含氟聚合物。當使用切片含氟聚合物時，獲得更好的耐用性。

本發明的墊圈在第一位置處具有第一厚度，該第一位置距離外周邊在墊圈寬度的0%和30%之間。在實施例中，第一厚度在墊圈的外周邊處。在實施例中，墊圈具有螺栓孔並且第一厚度在螺栓孔和墊圈的外周邊中間。

第二厚度在第二位置處，該第二位置在距第一位置至少墊圈寬度的50%的點處測量。優選地第二位置在距內周邊墊圈寬度的0%和30%之間的點處。

第三厚度在第三位置處，該第三位置在第一和第二位置中間且距每個位置至少墊圈寬度的10%。優選地第三位置在距外周邊墊圈寬度的40%和60%之間的點處。

第一厚度通常比第二厚度大0.1至3.0毫米，諸如比第二厚度大0.1至2.0毫米，且更優選地比第二厚度大0.5至1.0毫米。

第一厚度通常在1至10.0毫米的範圍內，優選地在2.0至7.0毫米的範圍內。

第三厚度優選地比第二厚度大至少0.2毫米並且比第一厚度薄至少0.2毫米。例如，第三厚度可比第二厚度大0.2至0.5毫米並且比第一厚度薄0.2至0.5毫米。第三厚度可等於第一和第二厚度的平均值加或減差值的30%，並且特別是加或減差值的10%。

在根據本發明的墊圈中，第一厚度大於第三厚度，第三厚度大於第二厚度。能夠通過如權利要求所限定且如下文進一步討論的一個或多個錐形和/或一個或多個臺階來獲得所述減小。

大體而言，當被置於水平表面上時，墊圈可以被上和下表面限定在內和外周邊的上和下部分之間。為了方便描述本發明，即使當墊圈不處於水平取向時，墊圈的表面仍將基於其被放置在水平表面上時的取向並且基於錐形和/或臺階和肋（當存在時，如下文進一步討論的）的位置被稱為「上」和「下」表面，如下所述：

1)如果墊圈僅在一個表面上具有錐形和/或臺階，則其是上表面，而不管任何肋的存在和位置。

2)如果墊圈在兩個表面上具有錐形和/或臺階，但僅在一個表面上具有一個或多個肋，則具有所述一個或多個肋的表面應該被看作上表面，並且

3)如果墊圈在兩個表面上具有錐形和/或臺階，並且在兩個表面上具有一個或多個肋，則根據本發明，任一表面都能夠被看作是上表面。

為避免疑惑，我們僅為了闡明墊圈特徵的空間關係的目的如上所述地定義「上」和「下」表面。但這不限制本發明的墊圈在使用時的取向。在使用時，墊圈可例如水平安裝，但可同樣地安裝成偏離水平，諸如豎直地，並且錐形和/或臺階和任何肋可以根據所用墊圈的類型在處於任何這樣的取向的墊圈的任一側或兩側上。

下表面可以是基本平坦的（水平的）（當如上所述那樣被放置在水平表面上時），並且所需的厚度減小由在上表面上的錐形和/或臺階獲得。這是優選的。但是，從上文也可以顯而易見到，臺階和/或錐形也能夠存在於同一墊圈的上和下表面二者上。

在一個選項中，墊圈的厚度經由一個或多個錐形截面從第一厚度減小到第三厚度且之後減小到第二厚度，所述錐形截面沿朝向內周邊的方向線性漸縮到減小厚度。如本文所用的「線性漸縮的錐形截面」意味著墊圈的厚度從較厚截面線性變化成較薄截面的截面。錐形截面的錐形可由厚度的變化率或錐形的「梯度」定義，如本文所用的，變化率或「梯度」應該垂直於水平平面來測量，當墊圈被置於水平表面上時該水平平面從內周邊到外周邊延伸通過墊圈。

從第一厚度到第二厚度（經由第三厚度）可存在單個錐形，或者可存在具有不同錐形的兩個或多個錐形截面，諸如從第一厚度到第三厚度的第一錐形和從第三厚度到第二厚度的第二錐形。

優選地所述一個或多個錐形截面出現在第一和第二位置之間的至少50%的距離上，更優選地在至少75%的距離上。

最優選地，錐形是從朝向外周邊的相對厚的橫截面到朝向內周邊的相對薄的截面的連續錐形，並且具體地覆蓋從外周邊到內周邊的75%的距離。

在第一和第二位置之間的平均錐形梯度相對於從內周邊延伸通過墊圈到外周邊的水平平面是大體1:10至1:200，優選地1:20至1:200，諸如1:50至1:150。

但更優選地，在第一和第二位置之間由墊圈的上和下表面形成的橫截面是等腰、直角或不規則梯形的形狀。這種示例在圖3中被示出並且在下文被進一步描述。

最優選地，下表面可以是基本平坦的（水平的）（當如上所述那樣被放置在水平表面上時），並且厚度的減小由在是上表面的表面上的錐形獲得。則在第一和第二位置之間由墊圈的上和下表面形成的橫截面是直角梯形的形狀。

在替代性方案中，墊圈的厚度經由沿朝向內周邊的方向突變成減小厚度的一個或多個臺階從第一厚度減小到第三厚度，並且之後經由沿朝向內周邊的方向突變成減小厚度的一個或多個臺階從第三厚度減小到第二厚度。如本文所用，「臺階」指的是呈現臺階任一側上梯度的至少兩倍的厚度變化的截面。優選地，在臺階前後，墊圈的厚度是恆定的（沒有梯度）或者以小於1:50的梯度變化，但是在臺階期間以至少1:2的梯度變化。

替代性地，墊圈的厚度可經由如上所定義的一個或多個臺階截面和一個或多個錐形截面的組合從第一厚度減小到第三厚度且之後減小到第二厚度。例如，墊圈可經由一個或多個錐形截面從第一厚度減小到第三厚度，並且經由一個或多個臺階從第三厚度減小到第二厚度。

如上所述，本發明的墊圈可具有至少一個肋。本發明的墊圈優選地具有直立在墊圈的上表面上且位於第三位置和內周邊中間的至少一個肋。所述至少一個肋大體平行於墊圈的內周邊延伸。實施例能夠具有直立在墊圈的上表面上且位於第二位置和內周邊中間的至少一個肋。在實施例中至少一個肋可被設置在墊圈的上和下表面中的每個上。

在優選實施例中，至少一個肋在第二位置和內周邊上的襯裡中間位於上表面上。一個或多個肋大體平行於墊圈的內周邊延伸。通常提供1至20更優選地1至10進一步優選地2至6個肋。肋通常直立在墊圈上0.2至2.0毫米。

在一個實施例中，在墊圈的上表面上設置2至5個肋，該肋立在墊圈的上表面之上0.5至1.0毫米。在這些實施例中，第一厚度優選地是3.0至5.0毫米並且優選地比第二厚度大0.5至1mm。

在本發明的另一實施例中，在墊圈的上表面上設置3至6個肋，該肋立在墊圈的上表面之上0.3至0.7毫米。第一厚度是4.0至7.0毫米並且優選地比第二厚度大0.1毫米至2.0毫米。

在使用時，一個或多個肋抵接相鄰部件並且限定蜿蜒路徑，這降低了通過密封件洩漏溶液的可能性。它們還提供施加的密封壓力的局部增加。

根據本發明，還提供電極組件，其包括在陽極與陰極中間的膜片或隔膜、和在膜片或隔膜與陽極及陰極中間的墊圈，其中至少一個墊圈是本發明的墊圈。

根據本發明，還提供整修電極組件中的電極的方法，該電極組件包括陽極與陰極中間的膜片或隔膜、和在該膜片與該陽極及陰極中間的墊圈，該方法包括

i)拆卸該電極組件，

ii)使用本發明的墊圈更換墊圈，以及

iii)重新組裝該電極組件。

在本發明的又一方面，提供用於在模塊化雙極或壓濾機電解槽中電解鹼金屬氯化物的過程，該電解槽包括一個或多個電極組件，該電極組件包括本發明的墊圈。

根據本發明，也還提供本發明的墊圈在電極組件中的用途，並且具體地用於減少電極組件的停機時間。

附圖說明

將參考附圖藉助非限制性示例描述本發明的實施例，附圖中：

圖1是根據現有技術的墊圈的拐角的局部正視圖，

圖2是圖1的墊圈的橫截面，

圖3是本發明的第一實施例的橫截面，

圖4是本發明的第二實施例的橫截面，並且

圖5是本發明的第三實施例的橫截面。

具體實施方式

雖然如上所述本發明具有廣泛應用，但是為了方便將參考氯鹼電極進行討論。

參考圖1和圖2，現有技術墊圈包括大體矩形構造的閉合環，其具有內周邊1、外周邊2、一系列螺栓孔3和單個臺階4。墊圈具有在墊圈的內周邊處的襯裡5。

孔3被設置成對齊電極部件的凸緣中的孔以便允許裝置被螺栓連接在一起。在另一些實施例中，例如在壓濾機電解槽中，可不必須設置孔，因為部件藉助由凸緣螺栓之外的機構施加的縱向力接合在一起。示例包括藉助支柱或壓力機或系杆按壓在一起的電解槽端板。

圖1和圖2所示的墊圈具有臺階結構，其中墊圈的外部厚於內部。臺階穿過墊圈中的孔。這種構造的問題是進入墊圈一部分的溶液可能被引導到別處。

本發明提供了一種墊圈，其在第一位置處具有第一厚度，該第一位置距離外周邊在墊圈寬度的0%和30%之間，該墊圈在第二位置處具有第二厚度，該第二位置在距第一位置至少墊圈寬度的50%的點處測量，並且該墊圈在第三位置處具有第三厚度，該第三位置在第一和第二位置中間並且距每個位置至少墊圈寬度的10%，第一厚度大於第三厚度，第三厚度大於第二厚度。

能夠實現該結構的一種方式是通過提供錐形，其中墊圈從朝向外周邊的相對厚的橫截面漸縮到朝向內周邊的相對薄的橫截面。這樣的構造被示於圖3，其中附圖標記1-5對應於圖1和圖2中的相同部件。如從圖3能夠看出的，錐形能夠從外周邊2延伸通過螺栓孔3（當存在時）並且接近墊圈的內周邊處的襯裡5的邊緣。上表面具有一系列直立肋6，其大體平行於墊圈的內周邊1延伸並且在圖3中示出其中三個。

在圖3中還標記出上表面7、下表面8、第一位置（a）、第二位置（b）和第三位置（c）。

在第一和第二位置之間由墊圈的上和下表面形成的橫截面限定直角梯形，如虛線形狀所示。

還在圖3中示出了等腰和不規則梯形。當下表面也相對於水平面漸縮時可獲得這樣的橫截面。

圖4是進一步優選的實施例。在該情況下，錐形延伸墊圈的整個寬度，包括襯裡截面。

圖5中示出了本發明的墊圈的另一構造。在該情況下，能夠通過隨著朝向墊圈的外周邊移動設置多個臺階9、10來實現厚度減小。在該實施例中優選的是螺栓孔不穿過臺階。

雖然我們不希望被理論界定，但應該想到，靠近墊圈的外周邊存在相對厚的部分平衡了凸緣旋轉，而這種旋轉會降低墊圈內周邊處的壓縮密封能力。

凸緣旋轉可由凸緣上的差動力引起。

引起差動力的一個原因可以是由於凸緣在其內周邊處更尺寸穩定，在該內周邊處凸緣連結用作增強支板的盤壁並由該盤壁支撐。

另一原因可產生於當墊圈的內周邊受到耐化學腐蝕材料（諸如含氟聚合物）層的保護時，所述耐化學腐蝕材料比墊圈材料的剩餘部分相對更不易壓縮。

引起凸緣上的差動力的第三個原因可以是不能施加用於沿凸緣的中心線將凸緣和墊圈組件壓縮在一起的力，從而導致壓縮力優先地被施加到墊圈外周邊處的較窄的材料邊沿。當例如由於螺栓擰緊的進入問題而螺栓孔的中心線不能被設計成對齊於凸緣的中心線時，這可發生在螺栓連接的凸緣中。在非螺栓連接的凸緣中，當凸緣上的夾具或用於在凸緣之間和從端部支柱傳遞壓縮載荷的杆或其他介質由於進入問題導致不能夠對齊於凸緣的中心線時，這可發生。

本發明的墊圈抵消了由上述所有三個原因引起的凸緣旋轉的負面影響並且增加了在墊圈內周邊上的密封壓力。這種改進的密封通過消除溶液穿過墊圈的軌跡而帶來有益的使用壽命，否則溶液穿過墊圈將導致洩漏或其他潛在的破壞性影響，諸如由於墊圈和凸緣之間的積液導致的保護層後方的加速的墊圈損壞或者凸緣的隙間腐蝕。

因此該結構有助於針對所有墊圈/凸緣組件在墊圈內周邊處產生抗溶液密封，而無論墊圈/凸緣組件是被螺栓壓縮、還是非螺栓連接並被夾具或支柱壓縮。

改進的密封和使用壽命益處通過本發明的墊圈輪廓來獲得，而無論該輪廓是通過使用一個或多個錐形來實現、通過使用一系列臺階來實現、還是通過使用錐形和臺階的組合來實現。當本發明的具有該輪廓的墊圈如下時可實現更大益處：

i)在內周邊處具有耐化學腐蝕保護層，諸如含氟聚合物，

ii）具有如本文描述的一個或多個肋，和/或

iii）在本發明的輪廓包括臺階和螺栓孔的情況下，通過確保臺階不與螺栓孔相交，從而避免溶液通向螺栓孔的潛在路徑。

上述每個均能夠提供如已經描述的附加優點。特別優選的是在內周邊處提供諸如含氟聚合物的耐化學腐蝕保護層。與其他選項中的一個或兩個（當針對第三選項存在臺階和螺栓孔時）一起提供諸如含氟聚合物的耐化學腐蝕保護層提供了最大益處。

現有技術的墊圈通常具有在3.5和4年之間的使用壽命。本發明的墊圈已經測試了48個月而沒有失效並且目前仍被加載。因此典型壽命被看作顯著大於4年。

測試示例：

根據本發明的墊圈

提供具有圖4示意性呈現的橫截面類型的墊圈。墊圈是矩形「相框」的形式，其適於安裝在bichlortm氯鹼電解槽中並且由epdm橡膠製造且在內周邊上具有切片ptfe帶保護部。墊圈容納以10釐米間距圍繞墊圈的21毫米直徑的螺栓孔，並且螺栓孔中心位於距外周邊墊圈寬度的40%並距內周邊墊圈寬度的60%的位置。為了有助於將螺栓壓力傳遞到內周邊以便輔助密封，墊圈被製造成具有不規則梯形的橫截面，其中墊圈的底表面相對於內和外周邊以直角延伸，並且墊圈的頂表面從外周邊漸縮到內周邊，其中在外周邊處的厚度厚於在內周邊處的厚度，並且頂表面相對於底表面的傾斜梯度是1/67。此外，墊圈在頂表面中具有平行於內周邊延伸的4個肋。肋具有等於在內周邊處的墊圈厚度的19%的高度，並且間隔開1.9毫米，其中最內側肋位於距內周邊墊圈寬度的24%的位置，並且最外側肋位於距內周邊墊圈寬度的36%的位置。這些墊圈在隨後的示例中被命名為『類型a』。

比較墊圈

提供具有圖2示意性呈現的橫截面類型的墊圈。這種第二類型的墊圈的樣品，即『類型b』，也是矩形「相框」的形式，其適於安裝在bichlortm氯鹼電解槽中，由與『類型a』墊圈化學和機械相同的epdm橡膠製造，且在內周邊上具有相同的切片ptfe帶保護部。內和外周邊之間的距離、內周邊的厚度、外周邊的厚度以及螺栓孔的大小、間距和位置在『類型b』和『類型a』墊圈中均是相同的。但是，『類型b』墊圈沒有平行於內周邊延伸的肋並且不具有錐形。而是，『類型b』墊圈的頂表面平行於底表面，並且兩個表面位於垂直於內和外周邊延伸的平面中。在該情況下，為了有助於將螺栓壓力傳遞到內周邊以便輔助密封，通過在墊圈的頂表面中提供與內和外周邊平行延伸的單個臺階來實現外周邊和內周邊之間的高度差，其中該臺階位於距外周邊墊圈寬度的40%且距墊圈的內周邊墊圈寬度的60%處。

示例1

14對『類型a』的墊圈被構建在使用旭化成公司供應的aciplex6801隔膜的bichlortm電解槽中的模塊中。電解槽開始運轉並且根據經核准的程序以在氫側上是250mbar規格且在氯側上是235mbar規格的內部氣壓運行。模塊被周期性地監測微小洩漏的可視證據，諸如圍繞螺栓的小硬皮和從模塊底部懸出的鐘乳石狀物。在加載48個月之後，模塊顯示沒有洩露並且繼續良好運行。

示例2

69對『類型a』的墊圈被構建在使用旭化成公司供應的aciplex6801隔膜的bichlortm氯鹼電解槽中的69個模塊中。電解槽開始運轉並且根據經核准的程序以在氫側上是250mbar規格且在氯側上是235mbar規格的內部氣壓運行。模塊被周期性地監測微小洩漏的可視證據，諸如圍繞螺栓的小硬皮和從模塊底部懸出的鐘乳石狀物。在28個月的運行之後，模塊沒有呈現明顯洩露跡象並且繼續良好運作。

示例3（比較）

另外69對『類型b』的墊圈被構建在使用旭化成公司供應的aciplex6801隔膜的bichlortm氯鹼電解槽中的69個模塊中。構建方法與針對上述示例中的『類型a』模塊所用的方法相同。電解槽開始運轉並且根據經核准的程序以在氫側上是250mbar規格且在氯側上是235mbar規格的內部氣壓運行。模塊被周期性地監測微小洩漏的可視證據，諸如圍繞螺栓的小硬皮和從模塊底部懸出的鐘乳石狀物。在10個月的運行之後，沒有明顯洩露跡象。在加載25個月之後，三個模塊呈現出表示低水平洩露的小螺栓硬皮和鐘乳石狀物，在加載37個月之後，6個模塊顯示出低水平洩露徵兆，並且在加載49個月之後，7個模塊顯示出低水平洩露徵兆。

示例4（比較）

69對『類型b』的墊圈被構建在使用杜邦公司供應的nafion2030隔膜的bichlortm氯鹼電解槽中的69個模塊中。構建方法與針對上述示例中的『類型a』模塊所用的方法相同。電解槽開始運轉並且根據經核准的程序以在氫側上是250mbar規格且在氯側上是235mbar規格的內部氣壓運行。模塊被周期性地監測微小洩漏的可視證據，諸如圍繞螺栓的小硬皮和從模塊底部懸出的鐘乳石狀物。在9個月的運行之後，模塊沒有明顯洩露跡象。在加載24個月之後，兩個模塊呈現出表示低水平洩露的小螺栓硬皮和鐘乳石狀物，在加載36個月之後，3個模塊顯示出低水平洩露徵兆，並且在加載48個月之後，7個模塊顯示出低水平洩露徵兆。

本發明的墊圈可用於新構築的組件，但也可用於更換現有組件中的墊圈，從而提高性能。